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Scientia et Technica Año XI, No 29, Diciembre de 2005. UTP. ISSN 0122-1701
ANALISIS TEÓRICO DE LA COMBUSTIÓN EN QUEMADORES DE GAS NATURAL
RESUMEN
Se presenta el análisis teórico del proceso de combustión que ocurre en
quemadores de gas natural. El comportamiento del calor disponible, la
eficiencia de combustión y las emisiones contaminantes, es evaluado en función
del exceso de aire y la temperatura de los gases de combustión. Se calcula el
valor de la temperatura máxima de productos y su relación con el exceso y el
precalentamiento del aire. Se establecen consideraciones energéticas y
ambientales para el perfeccionamiento de la operación de quemadores
industriales.
PALABRAS CLAVES: Combustión, quemadores, gas natural, emisiones.
ABSTRACT
Theoretical analysis of combustion process occurring in natural gas burners is
presented. The performance of available heat, combustion efficiency and
pollutants is evaluated as function of excess air and flue gas temperature. The
value of maximum temperature of products and its relation with excess and
preheating air is calculated. Energy and environmental considerations are
established in order to improve the operation of industrial burners.
JUAN CARLOS SERRANO
Ingeniero Mecánico, M. Sc.
Profesor Auxiliar
Programa de Ingeniería Mecánica
Universidad de Pamplona
[email protected]
YAMID ALBERTO
CARRANZA SÁNCHEZ
Ingeniero Mecánico, M. Sc.
Profesor Auxiliar
Escuela de Tecnología Mecánica
Universidad Tecnológica de Pereira
[email protected]
KEYWORDS: Combustion, burners, natural gas, pollutants.
1. INTRODUCCIÓN
El panorama energético nacional e internacional en los
años recientes está afrontando un gran desafío debido a
las restricciones ambientales en la utilización de los
combustibles fósiles y a las constantes alzas en los
precios
de
los
derivados
del
petróleo.
Consecuentemente, el uso del gas natural como
combustible limpio y con precios competitivos ha venido
aumentando en los sectores industrial, comercial,
doméstico y vehicular.
Ante tal panorama, el pleno conocimiento sobre el
fenómeno de combustión del gas natural, y en particular,
en quemadores de gas, constituye una herramienta
fundamental para el perfeccionamiento de la explotación
y el diseño de los mismos, bajo criterios ambientales,
técnicos, legales y económicos.
Como parte del proyecto de investigación1 Análisis de la
influencia de las condiciones de la mezcla airecombustible en la composición y la temperatura de los
productos de combustión en quemadores de gas, , en este
artículo se analiza teóricamente los parámetros
influyentes en la combustión del gas natural,
constituyendo esto un avance de la primera fase
contemplada en el proyecto.
1
Proyecto financiado y patrocinado por Colciencias e inscrito por el
Grupo de Investigación de Energías Renovables GIDER de la
Universidad de Pamplona.
Fecha de Recepción: 31 Mayo de 2005
Fecha de Aceptación: 16 Agosto de 2005
Se estudian algunos parámetros influyentes en el proceso
de combustión como la relación entre la temperatura
máxima de llama, el calor disponible en los gases de
combustión, la eficiencia de combustión y las emisiones
contaminantes como función del exceso de aire (relación
aire-combustible), la temperatura de los reactantes y la
temperatura de los gases de combustión. Todo esto como
herramienta en la toma de decisiones tanto económicas
como ambientales.
En todos los cálculos termoquímicos se ha tenido en
cuenta la disociación de especies y se ha empleado el
programa computacional STANJAN [9].
2.
TEMPERATURA
MÁXIMA
PRODUCTOS DE COMBUSTIÓN [6]
DE
LOS
El modelo utilizado para el análisis de combustión se
basa en metano, principal componente del gas natural, y
como oxidante el aire, constituido por oxígeno y
nitrógeno. Se desprecia el argón y trazas de otros
constituyentes.
Las condiciones de los reactantes,
excepto en el precalentamiento del aire, son 298,15 K y 1
atm.
La máxima temperatura que pueden alcanzar los
productos de combustión es la temperatura adiabática de
llama. Es la temperatura que se obtiene si todo el calor
desarrollado durante el proceso se utiliza integralmente
para calentar los productos. El procedimiento de cálculo
de la temperatura de llama adiabática, considerando los
fenómenos de disociación, se lleva a cabo por iteración
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140
H reac tan tes = H productos
(1)
En la ecuación (1) la Hreactantes se refiere a la entalpía del
combustible y del aire que hacen parte del proceso de
combustión. Cuando toda esta energía es empleada para
elevar la temperatura de los humos de combustión, sin
pérdidas de calor hacia el medio, los productos
alcanzarán una entalpía Hproductos igual a la de los
reactantes, y por ende, obtendrán su máxima temperatura.
La figura 1 presenta la variación de la temperatura
máxima de los productos de combustión en función del
exceso de aire de la combustión. Se observa que la
máxima temperatura ocurre para una condición de
mezcla rica o defecto de aire del 3%.
Aunque
comúnmente se asocia la temperatura adiabática de llama
a la condición estequiométrica o de cero exceso de aire,
para la condición real de disociación de especies mayores
(CO2, H2O, O2, N2) y formación de especies menores
(CO, HO, NO, NO2, entre otras) la máxima temperatura
adiabática ocurre en una mezcla ligeramente rica porque
el calor específico de los productos se reduce permitiendo
el incremento de la temperatura [7].
Temperatura de productos [C]
2000
1900
1800
Sin Precalentamiento
Precalentamiento a 50 C
1700
1600
-5
0
5
10
15
20
25
30
Exceso de aire [%]
Figura 1. Influencia del exceso de aire y su precalentamiento
en la temperatura de los productos de combustión.
Nótese la influencia del precalentamiento del aire de
combustión. Cuando este aire ingresa no a 25 °C sino a
50 °C, las temperaturas de llama se incrementan, lo que
redunda en mayor calor adicionado a la carga y a la
reducción en los consumos energéticos del proceso. No
menos importante es el control del exceso de aire debido
a que un incremento desmesurado de este ocasiona una
caída drástica en las temperaturas de llama.
entre más fríos salen los gases de combustión del proceso
de calentamiento de una carga, lo que indica un
aprovechamiento notable de la energía térmica. El calor
disponible está definido como:
Qdisp = PCS − Q gases
( 2)
donde:
PCS: es el poder calorífico superior del
combustible.
Qgases: es la energía contenida en los gases de
combustión, igual a la entalpía de productos a la
temperatura de interés [email protected] menos la entalpía
de los productos a 298,15 K, [email protected],15.
El gas natural caracterizado como metano CH4 y tiene un
poder calorífico superior de 55528 kJ/kg. La figura 2
muestra cual es la relación entre el exceso de aire en el
quemador y la temperatura de los gases de combustión
sobre el calor disponible del proceso de calentamiento,
este último como porcentaje del poder calorífico superior
que sería la máxima energía útil. Se puede notar que para
un exceso de aire fijo el calor disminuye a medida que la
temperatura de los gases aumenta, lo que indica que no se
le está extrayendo toda la energía útil a los humos y está
quedando un remanente importante y susceptible de
aprovechamiento.
Si se considera constante la
temperatura de los humos, se nota la clara influencia
negativa del exceso de aire, puesto que el calor
disponible disminuye debido a que el aire que
adicionalmente ingresa a la combustión consume parte de
la energía química transformada.
Una consideración importante para disminuir la
temperatura de los productos, y de esta manera,
incrementar calor disponible es la instalación de
recuperadores de calor. Generalmente los recuperadores
de calor constituyen alternativas con buena viabilidad
técnico-económica.
La limitación para reducir la
temperatura de los humos es la formación de ácido
sulfúrico, pero con el gas natural este inconveniente no
tiene importancia.
90
Calor disponible [%]
de la temperatura de los productos hasta que se cumpla la
siguiente expresión:
80
0%
10%
70
15%
25%
60
50
40
30
20
10
3. CALOR DISPONIBLE Y EFICIENCIA DEL
PROCESO [1] [5] [8]
Los productos de combustión poseen una energía térmica
de acuerdo a su temperatura. Esta energía o calor
disponible Qdisp, entendido como la cantidad de energía
que puede ser convertida en energía útil, es tanto mayor,
0
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
Temperatura de gases [C]
Figura 2. Porcentaje de calor disponible respecto al poder
calorífico superior como función de la temperatura de los gases
de combustión y el exceso de aire.
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La eficiencia de un quemador está asociada a la energía
química que es posible ser transformada en calentamiento
de los productos de combustión, y es el 100% si toda la
energía química almacenada en el combustible es
convertida en calor disponible para el proceso. Si se
conoce la temperatura de los reactantes y su entalpía
Hreact y la temperatura de los productos de combustión
inmediatamente a la salida del quemador y su energía
contenida Hprod , se puede definir la eficiencia como:
η comb =
(
PCS − H prod − H react
PCS
)
* 100%
(3)
La figura 3 muestra el comportamiento de la eficiencia de
combustión de acuerdo a la temperatura que poseen los
gases inmediatamente a la salida del quemador.
Obsérvese cómo para un exceso de aire definido, la
eficiencia incrementa a medida que la temperatura de los
gases se eleva. Lo anterior quiere decir que una alta
temperatura de los productos de combustión,
directamente en la salida del quemador, constituye un
indicativo del menor impacto de las pérdidas caloríficas
debido a la formación de agua en forma de vapor H2O(v),
a la disociación de especies a través de reacciones que
son endotérmicas y a las pérdidas de calor en la llama
radiante.
100
95
Eficiencia [%]
90
85
75
65
1400
1600
Exceso 0%
Exceso 10%
Exceso 15%
Exceso 25%
1800
Los quemadores industriales suelen operarse con un
exceso de aire del 15% con el fin de minimizar riesgos
ante posibles gases inquemados.
Utilizar mayores
excesos sería desfavorable energéticamente y emplear
excesos muy bajos conllevaría a tener mezclas poco
íntimas de aire y combustible con la consecuente
generación de inquemados y de riesgos asociados a los
inquemados combustibles.
4. CONCENTRACIONES DE LOS PRODUCTOS
DE COMBUSTIÓN [10]
En la práctica de las pruebas para el análisis de productos
de combustión, suelen ser relevantes las mediciones de
CO2 u O2, CO y NOx. Tanto el dióxido de carbono CO2,
como el O2, están relacionados con la eficiencia de
combustión junto con la temperatura de los gases.
La presencia de monóxido de carbono CO es un
indicativo de disminución de eficiencia (la reacción para
la generación de monóxido es endotérmica), pero se
prefiere su significado en relación con la toxicidad y el
riesgo de inflamabilidad. El monóxido de carbono es
muy peligroso por cuanto es imposible de detectar sin un
instrumento de prueba, y las consecuencias de su
concentración y periodo de exposición pueden ir desde
ligeros dolores de cabeza hasta la muerte.
Los óxidos de nitrógeno NOx son responsables de la
formación de ácidos en la atmósfera contribuyendo a la
creación de lluvia ácida, y han constituido, uno de los
aspectos que últimamente más ha aportado al desarrollo
tecnológico de los equipos de combustión.
80
70
Obsérvese también cómo las combustiones con exceso no
desarrollan niveles de temperatura tan altos como las
combustiones estequiométricas.
2000
Temperatura de productos [C]
Figura 3. Eficiencia de combustión vs temperatura de productos
y exceso de aire.
Cuando se comparan a una misma temperatura de
productos, las combustiones para diferentes excesos de
aire, la interpretación es de la siguiente manera. Una
combustión sin exceso cuyos productos estén a la misma
temperatura de una combustión con exceso y bajo la
misma adición calórica por unidad de combustible PCS,
indica que el quemador es más eficiente. Y esto es claro
porque el exceso de aire es una carga térmica que
igualmente necesita ser calentada hasta el nivel de
temperatura analizado, por ende, ocurre una mejor
utilización de la energía del portador energético.
Se espera entonces, que para quemadores de similar
eficiencia y operando con el mismo combustible, la
temperatura de los productos sea mayor en el quemador
que emplee el menor exceso de aire, ver figura 3.
A continuación se presentan los valores de concentración
de los mencionados productos de combustión en
dependencia de la temperatura de los gases y de
diferentes excesos de aire. Los datos contenidos en estas
figuras constituyen una referencia para labores de análisis
de productos de combustión.
El proceso de obtención de estas concentraciones se
realizó con el programa STANJAN considerando la
disociación de especies.
Vale la pena resaltar que los resultados arrojados por el
programa están en base húmeda, es decir, considerando el
agua en forma de vapor que hace parte de los gases. Por
lo tanto, se hace la corrección a base seca, muy
comúnmente utilizada por los equipos de análisis de
gases, mediante la expresión:
Scientia et Technica Año XI, No 29, Diciembre de 2005. UTP
142
N mezcla−húmeda
N mezcla−sec a
3500
11
10
3000
Donde:
χi,seca es la fracción molar o concentración en
base seca
χi,húmeda es la fracción molar en base húmeda
Nmezcla-húmeda es el número de moles total en la
mezcla húmeda
Nmezcla-seca es el número de moles total en la
mezcla seca
La figura 4 presenta la concentración de especies para un
exceso de aire nulo o 0%. Es relevante mencionar que
los niveles de CO2 se mantienen alrededor del 12%
disminuyendo levemente a partir de los 1200°C y
empezando la generación de CO, como consecuencia de
los efectos del fenómeno de disociación.
Esta
concentración con gases de combustión a elevadas
temperaturas constituiría un serio problema ambiental
debido a que los niveles de CO deberían ser mantenidos
en un máximo de 400 ppm de acuerdo a las regulaciones
establecidas por Environmental Protection Agency (EPA)
y American Gas Association (AGA) [2].
Los niveles de NOx también se incrementan con la
disociación generada por la elevación de la temperatura
de los gases. Los niveles de NOx deben mantenerse en
40 ppm para calderas en el rango de 5-40 MM Btu/h [2].
8
7
CO2 [%]
CO [ppm]
2500
O2 [%]
NOx [ppm]
2000
6
1500
5
4
1000
Concentración [ppm]
9
Concentración [%]
χ i ,sec a = χ i ,húmeda
3
500
2
1
400
600
800
1000
1200
1400
1600
0
1800
Temperatura de gases [C]
Figura 5. Concentración en base seca vs temperatura de
productos para un exceso del 10%.
La figura 6 constituye la gráfica de referencia para el
análisis de la combustión en quemadores de gas. Lo
anterior debido a que los fabricantes recomiendan operar
con excesos de aire del 15%. Cuando un equipo es
explotado bajo esta recomendación, se deberían obtener
concentraciones en base seca de CO2 alrededor del 10%,
concentraciones de O2 alrededor del 3%, y
concentraciones de CO y NOx variables con la
temperatura de los productos de combustión. Se resalta
nuevamente el efecto negativo de emitir gases de
combustión a temperaturas elevadas debido a las altas
concentraciones de los anteriores contaminantes.
11
4000
10
3500
6000
11
5000
9
8
7
CO2 [%]
CO [ppm]
4000
O2 [%]
NOx [ppm]
6
3000
5
4
2000
3
2
Concentración [ppm]
Concentración [%]
10
1000
1
0
400
600
800
1000
1200
1400
1600
0
1800
Temperatura de gases [C]
Figura 4. Concentración en base seca vs temperatura de
productos para un exceso del 0%.
En la figura 5 se comienzan a observar los efectos del
exceso de aire. Se destaca la reducción de los niveles de
CO mejorando las condiciones ambientales en lo que a
este contaminante se refiere, pero se nota un incremento
notable de los óxidos de nitrógeno respecto al exceso de
aire nulo en la figura 4. Debido al exceso se nota ya una
concentración de oxígeno alrededor del 2% la cual se
disminuye levemente a medida que se aumenta la
temperatura y se forman los NOx.
3000
8
CO2 [%]
CO [ppm]
7
O2 [%]
NOx [ppm]
2500
6
2000
5
1500
4
1000
Concentración [ppm]
12
Concentración [%]
9
3
500
2
1
400
600
800
1000
1200
1400
1600
0
1800
Temperatura de gases [C]
Figura 6. Concentración en base seca vs temperatura de
productos para un exceso del 15%.
Excesos de aire elevados como lo muestra la figura 7,
constituyen un decremento considerable en la eficiencia
térmica del proceso como consecuencia de la energía
absorbida por el aire en exceso. Y tal como lo señala la
tendencia de concentraciones versus excesos de aire, los
incrementos de NOx se hacen más notables.
Las anteriores figuras son herramientas útiles a la hora de
llevar a cabo un diagnóstico de gases, debido a que es
posible acceder a ellas con la temperatura de los gases y
el porcentaje de O2, CO2 o CO para determinar el exceso
de aire con el cual opera el quemador y de esta manera
calcular la eficiencia del proceso, o para conocer la
concentración de los otros contaminantes.
Scientia et Technica Año XI, No 29, Diciembre de 2005. UTP
12
O2 [%]
NOx [ppm]
4000
9
3500
8
3000
7
2500
6
2000
5
1500
4
1000
3
500
600
800
1000
1200
1400
1600
Concentración [ppm]
4500
10
2
400
6. BIBLIOGRAFÍA
5000
CO2 [%]
CO [ppm]
11
Concentración [%]
143
0
1800
[1] AMELL A., A., GIL B., E., y MAYA B., R.
Herramientas para el uso eficiente del gas: diagramas de
eficiencia térmica. Revista Facultad de Ingeniería, pág
55-68, Universidad de Antioquia.
[2] BACHARACH. Catálogo: Combustion efficiency, 13
páginas, www.bacharach-inc.com.
Figura 7. Concentración en base seca vs temperatura de
productos para un exceso del 25%.
[3] CASTRO MORA, Javier. Operación y mantenimiento
de calderas, 244 páginas, Bogotá-Colombia: Universidad
Nacional de Colombia, 2002.
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
[4] CLEAVER BROOKS. Catálogo: Boiler efficiency,
20 páginas, www.cleaver-brooks.com.
Se desarrollan herramientas teóricas de combustión para
conocer la relación y la influencia entre las diferentes
variables de operación de quemadores e gas natural.
[5] ECLIPSE INC. Catálogo: Engineering guide, 118
páginas, www.eclipsenet.com.
Temperatura de gases [C]
El conocimiento de las tendencias y el comportamiento
del fenómeno de combustión ha permitido establecer
consideraciones energéticas y ambientales acerca del
proceso de combustión.
Se ha determinado la influencia negativa del exceso de
aire en la máxima temperatura de los productos, el efecto
positivo que tiene el precalentamiento de aire en dicha
temperatura.
Una mayor temperatura de los productos inmediatamente
a la salida del quemador, será un indicativo de una mayor
eficiencia de este equipo.
El exceso de aire y la temperatura de los productos en un
proceso térmico basado en la combustión del gas natural,
son los factores más determinantes en los aspectos
ambientales y energéticos del proceso.
Las predicciones teóricas de la combustión del metano,
principal constituyente del gas natural, permitirán la
posterior comprobación en la experimentación con el
objetivo de desarrollar estrategias en los quemadores
industriales que maximicen el uso de energía y
minimicen la generación de contaminantes.
En esta primera parte del proyecto se busca desarrollar
modelos teóricos en el fenómeno de combustión para
después integrarlos en el conjunto cámara de combustión
-quemador de gas, y poder lograr el objetivo del proyecto
de mejorar los sistemas de combustión existentes en la
industria colombiana.
[6] GLASSMAN., Irving. Combustión, 631 páginas,
USA: Academia Press, 1996.
[7] KUO, Kenneth K. Principles of combustión, 810
páginas, New York: John Wiley & Sons, Inc., 1986.
[8] MARQUEZ M., Manuel. Combustión y quemadores,
159 páginas, Barcelona: Marcombo, S. A., 1989.
[9] REYNOLDS, W. C. The element–potencial method
for chemical equilibrium análisis: implementation in the
interative program STANJAN. Department of
Mechanical Engineering. Stanford University. Stanford,
CA.
[10] TURNS, Stephen. An introduction to combustión,
565 páginas, New York: McGraw-Hill, Inc., 1996.
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